Засоби вимірювання концентрації речовин рідині

25.06.2023 |

Визначення концентрації різних інгредієнтів у рідині широко застосовується в різних областях науки і техніки. Найбільш яскравим прикладом є вода. Чиста вода та технологія фільтрації води відіграють важливу роль у житті людини. Доступ до ресурсів чистої води, що постійно скорочуються, стає все більш важливою проблемою. Однак вимірювання параметрів рідин не обмежується водою.

Так, наприклад, вимірювання параметрів рідини у медицині, таких як кров, слина тощо, дозволяють діагностувати багато захворювань. Спільним для цих вимірів може бути підхід, заснований на використанні електрохімічних сенсорів та біосенсорів.

Вимірювання параметрів рідини у медицині.

Найбільш широко застосовуваним у медицині методом вимірювання параметрів рідини є метод вимірювання рівня глюкози у крові. Достатньо краплі крові на тест-смужці, щоб зробити висновки про рівень цукру в крові. Ґрунтуючись на виміряній концентрації глюкози, пацієнт може скоригувати своє лікування чи дієту. В даний час набув поширення перехід від дискретних вимірювань цукру в крові (один-два рази на день) до постійного моніторингу рівня цукру в крові.

Для цього методу необхідні високоточні мініатюрні біосенсори, що відрізняються малим споживанням електроенергії. Ще одним застосуванням вимірювання параметрів рідини є діаліз. За хронічної ниркової недостатності кров доводиться фільтрувати. Вимірювання провідності діалізуючого розчину виконується за допомогою вимірювання імпедансу. Таким методом можна виміряти pH, провідність, склад та насиченість, наприклад, киснем  досліджуваної рідини.

При вимірі, наприклад, параметрів сечі аналізуються зміст виділень для виявлення того чи іншого захворювання. Це відносно новий напрямок у меди- цині з безліччю різних підходів. Проте в основі багатьох підходів лежать виміри струму, напруги або імпедансу за допомогою електрохімічних сенсорів чи біосенсорів, що дозволяє робити висновки про різні захворювання. На додаток до вимірювання pH можуть виконуватися вимірювання електропровідності. На цьому перелік рідин та їх параметрів не вичерпується. Цими методами може бути виміряний гормональний склад або фармацевтичні агенти, тобто, незважаючи на різноманіття параметрів досліджуваних рідин, вимірювання їх може виконуватися на основі аналізу струму, напруги або імпедансу.

В даний час прилади на основі вимірювання імпедансу можуть бути виконані у вигляді носимих пристроїв, тому вони повинні бути компактні і їх енергоспоживання повинно бути зведено до мінімуму. Незважаючи на те, що основні методи вимірювань струму, напруги або  імпедансу залишаються одними і тими же для всіх застосувань, існує чимало модифікацій цих методів, які використовуються в різних приладах. Стисло розглянемо їх особливості.

Методи потенціометрії. Потенціометрією називають групу методів кількісного аналізу, заснованих на використанні залежності рівноважного потенціалу електрода, опущеного у розчин, від активності (концентрації) іонів даного розчину. У потенціостаті, рис. 1, використовують гальванічні елементи, в яких потенціал одного з електродів залежить від коцентрації досліджуваної речовини. Цей електрод називають робочим (індикаторним) або електродом вимірювання WE. Другий електрод потенціометрії є електродом порівняння RE. Цей електрод вибирають з таким розрахунком, щоб його потенціал за- лишався незмінним і не залежав від стану досліджуваного розчину.

Рис. 1. Структурнаа схема потенціостату

Потенціал WE підтримується постійним по відношенню до електрода порівняння за рахунок регулювання струму, що протікає через зустрічний або до- поміжний електрод CE. У цьому випадку виміряна е.р.с. залежатиме лише від потенціалу індикаторного електрода. З зміни величини е.р.с. можна судити про концентрацію речовини в досліджуваному роз- чині. Потенціометричні виміри є надійними щодо констант рівноваги електродних реакцій, коефіцієнтів активності іонів у розчині, констант нестійкості комплексних іонів, рН розчинів.

Ці методи аналізу мають низку переваг. Вони відрізняються високою чутливістю і не вимагають до- слідження великих обсягів розчинів. Існують модифікації потенціометричних вимірювань, що дозволяють проводити аналіз у пробах, обсяг яких може не перевищувати десятих часток мілілітра, що важливо, наприклад, для медичних сенсорів. Оскільки рівноважне значення потенціалу на електроді встановлюється швидко, потенціометричні вимірювання не вимагають значних витрат часу. Їх можна проводити в каламутних та пофарбованих розчинах, а також у в’язкому середовищі, наприклад, у крові.

Амперметричний метод полягає у вимірі струму. У цьому випадку між електродами RE і WE при- кладена постійна напруга, а струм, що змінюється, кодується АЦП у складі ІМС мікроконтролера, на- приклад, з Cortex ядром, як показано на рис. 2. Важливою перевагою амперометричного методу є можливість визначати не тільки електроактивні інгредієнти, а й будь-які інші із застосуванням електроактивних реагентів.

Рис.  2.  Схемотехнічна реализація амперометричного методу

Вольтамперометрія – метод аналізу, заснований на дослідженні залежності струму поляризації від напруги, що прикладається до сенсорної електрохімічної комірки, коли електричний потенціал робочого електрода значно відрізняється від рівноважного значення. Вольтамперометрія за різноманітністю методів є найпоширенішою областю електрохімічних методів аналізу, і в даний час її методи широко використовуються в аналітичній хімії для ви- значення концентрації речовин у розчинах та роз- плавах, а також при проведенні медичних, фізико-хімічних та електрохімічних досліджень.

Кондуктометричний метод аналізу або кондуктометрія – це метод аналізу, заснований на вимірюванні питомої електричної провідності аналізованого розчину. Вимірювання провідності ґрунтуються на визначенні омічного опору рідини. Щоб виконати цей вимір, два інертні електроди, розташованих паралельно один одному, занурюють в рідину для вимірювання опору з використанням змінного струму.

Завдяки цьому процесу можна оцінити рухливість, щільність частинок та ступінь окислення електроліту, щоб зробити висновки про концентрацію розчину.

Визначення pH засноване на вимірюванні величини е.р.с. електродної системи, яка пропорційна активності іонів водню в розчині або водневому показнику, що називається pH. З різниці потенціалів на електродах утворюється напруга, що має лінійну залежність від pH. Одна з основних проблем вимірювання pH полягає в тому, що датчики pH мають дуже великий вихідний опір, що висуває високі вимоги до параметрів вхідного каналу електронного pH-метра.

Метод аналізу, що ґрунтується на вимірі електрохімічного імпедансу. Цей метод аналізу отримав назву електрохімічної імпедансної спектроскопії і є поширеним лабораторним методом в аналітичній хімії, наприклад, біологічних дослідженнях при аналізі ДНК, аналізі складу та концентрації різ- них інгредієнтів у рідинах і т.д.

Суть цього методу полягає в подачі змінної на- пруги в сенсорну електрохімічну комірку і реєстрації струму, що проходить через неї. На основі співвідношень напруги та струму розраховується електричний імпеданс – комплексний опір двополюсника для гармонійного сигналу на заданій частоті. Ці вимірювання дозволяють ідентифікувати низку фізичних та хімічних параметрів досліджуваних рідин. Розвиток елементної бази дозволив винести цей метод за межі лабораторій і використовувати в промислових умовах і навіть у носимих пристроях. Узагальнена структурна схема вимірювача імпедансу наведена на рис. 3.

Рис. 3. Схема вимірювання імпедансу

У складних розчинах, таких як соки, вина та інші харчові напої, виникає необхідність вимірювати концентрацію багатьох речовин. Для цього на основі електрохімічних сенсорів можуть бути створені так звані біосенсори чи матриці біосенсорів. Біосенсори – це аналітичні пристрої, що використовують біологічні матеріали (ферменти, тканини, бактерії, дріжджі, антигени/антитіла, органели, рецептори, ДНК) для “впізнавання” певних молекул у досліджуваних розчинах.

На базі біосенсорів виробляються такі відомі у медицині прилади як глюкометри, якими користуються сотні мільйонів діабетиків в світі. Біосенсори мають високу чутливість та селективність для визначення концентрації різних речовин у розчинах, але вихідний діапазон, наприклад, струмів у біосенсорах, побудованих на основі амперметричних електрохімічних сенсорів, може не перевищувати декількох наноампер.

Роздільна здатність приладів на основі таких біо- сенсорів повинна бути не гірше десятків пікоампер.

Тому створення аналогових інтерфейсів (FrontEnd) для подальшої обробки вихідних сигналів біосенсорів є непростою задачею. Світові компанії випускають у великій кількості вимірювальні прилади та пристрої для роботи з електрохімічними сенсорами чи біосенсорами. Їх можна поділити на лабораторні, промислові та такі, що можуть бути включені як ви- мірювальні вузли у розробку замовника, та набори великих інтегральних схем, які можуть стати основою для створення нових приладів та засобів в області сенсорики або біосенсорики.

Лабораторні прилади з чутливістю у десятки фемтоампер випускають такі компанії як Biologic Science Instr., GmbH, Metroohm AG, Gensoric, GmbH та деякі інші.

Найбільш відомою компанією, яка випускає інтерфейси  для сенсорів та біосенсорів у вигляді модулів  є голландська компанія PalmSense. Вона розробляє свої засоби у тісній співпраці з всесвітньовідомою компанією Analog Devices. На рис. 4 приведена структура нової ІМС цієї компанії ADuCM355.

 

 

Ця надвелика ІМС складається з енергозберігаючого аналогового інтерфейсу (Analog FrontEnd) та мікроконтролера з Cortex ядром і включає функції вимірювання струму, напруги, опору та імпедансу, а також містить вузол 16-розрядного багатоканального АЦП з частотою вибірки 400 кГц, вбудований фільтр і підсилювач з програмованим коефіцієнтом посилення (PGA).

Більшість серійних та лабораторних електрохімічних сенсорів та біосенсорів для аналізу концентрації різних домішок у рідині можна підключати без- посередньо до входів цієї ІМС. Слід відзначити, що при аналізі деяких параметрів досліджуваної рідини необхідно знати температуру навколишнього середовища, щоб компенсувати похибку вимірювань, тому ІМС ADuCM355 містить додатковий канал для підключення зовнішнього температурного датчика.

Завдяки своїй універсальності ІМС ADuCM355 може бути використана у вимірювачах концентрації газів, таких як CO або CO2, за допомогою відповідної сенсорної електрохімічної комірки.

Аналоговий інтерфейс для електрохімічних сенсорів та біосенсорів може бути також побудований на окремих ІМС, які входять до составу вимірювальних схем, наведених, наприклад, на рис. 1-3. Крім того, для таких застосувань ряд компаній розробляють спеціальні ВІС на замовлення (ASIC).

ВИСНОВКИ

  1. Швидкий розвиток в світі такого напрямку як сенсорика та біосенсорика потребує створення від- повідних мікроелектронних засобів зчитування та первинної оброби інформації.
  2. Світовий ринок в області лабораторних приладів досить насичений відповідними технічними засобами. Але для розробників сенсорів та біосенсорів номенклатура відповідної мікроелектронної бази все ще залишається обмеженою. Можна відмітити тільки сімейство ІМС ADuCM35х компанії Analog Devices, яке розробляється у співпраці з відомою в області сенсорики та біосенсорики компанією Palm-Sense. 3. В той же час використання ВІС на замовлення або спроба розробляти надчутливі інтерфейси на основі універсальних ІМС потребує значних коштів і досить тривалого часу на розробку.